水中油分析儀在換熱器泄漏中的應(yīng)用

張 浩，趙 健，高 杰

（陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)永坪煉油廠，陜西 延安 717208）

0 引言

換熱器在石油化工行業(yè)十分常見(jiàn)，在生產(chǎn)中占有重要地位。在裝置生產(chǎn)運(yùn)行期間，因?yàn)樵O(shè)備老化、介質(zhì)腐蝕或使用人員操作不當(dāng)，換熱器有可能發(fā)生泄漏，導(dǎo)致傳熱效率降低，裝置能耗大幅增加且產(chǎn)品質(zhì)量下降；同時(shí)由于熱介質(zhì)污染，循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)惡化，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)沖擊污水處理系統(tǒng)，致使循環(huán)水網(wǎng)癱瘓，外排水質(zhì)超標(biāo)，引發(fā)不可估量的危害[1]。2022年2月，某廠因換熱器泄漏導(dǎo)致四循串油，水體有浮油、浮渣，不但增加污水處理負(fù)擔(dān)，而且降低了整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)負(fù)載的冷換設(shè)備效率。

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和換熱效能，提高換熱器的安全性、可靠性，需要對(duì)冷換設(shè)備進(jìn)行快速持續(xù)地監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握換熱器的運(yùn)行狀況，進(jìn)而建立一個(gè)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)[2]。這對(duì)提高冷換設(shè)備管理水平而言意義重大。

以永坪煉油廠聯(lián)合二車(chē)間常壓裝置換熱器E-124為試點(diǎn)，在循環(huán)水出口增設(shè)在線水中油分析儀，將測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)街醒肟刂剖也⒃O(shè)置報(bào)警上限，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水出水油含量，以保證換熱器泄漏的情況一旦發(fā)生，能在初期就完成應(yīng)急處理措施。

圖1 近紅外散射原理Fig.1 Principle of near infrared scattering

1 在線水中油分析儀的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 在線水中油分析儀的工作原理

在線水中油分析儀是專(zhuān)門(mén)為測(cè)試水中微量油濃度而設(shè)計(jì)的，在煉油化工行業(yè)污水水質(zhì)監(jiān)測(cè)、換熱器泄漏、冷凝器泄漏、儲(chǔ)罐保溫蒸汽冷凝水方面有著廣泛的應(yīng)用實(shí)例。

1）紫外熒光法

目前測(cè)量水中油主要是紫外熒光的原理[3]，通過(guò)直接測(cè)量水樣的方式，檢測(cè)被測(cè)樣品中的苯環(huán)化合物，即所說(shuō)的芳烴油。芳烴油具備很強(qiáng)的熒光性，能吸收紫外光。在光線照射時(shí)，芳烴油中的苯環(huán)分子會(huì)吸收一部分光的能量，這些能量可以使苯環(huán)分子從較低且穩(wěn)定的基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)高的激發(fā)態(tài)，形成躍遷現(xiàn)象，而不同的激發(fā)態(tài)有著不穩(wěn)定的共同特性，苯環(huán)分子從不同激發(fā)態(tài)的不同振動(dòng)能級(jí)下降至基態(tài)。這種下降通常伴隨著能量的釋放和發(fā)光現(xiàn)象，被稱(chēng)之為光致熒光。

紫外熒光法測(cè)量水中油也存在著受其自身原理限制的局限性——只能測(cè)量苯環(huán)化合物，而在永坪煉油廠的生產(chǎn)工藝包括烯烴、烷烴、芳烴等，尤其在該廠成品油，例如汽油、柴油、航空煤油、常壓外送油和輕石腦油中，幾乎不含苯環(huán)化合物，所以這種測(cè)量原理并不適用于煉油廠工藝的大部分水中油測(cè)量場(chǎng)景。

2）近紅外散射原理

近紅外散射原理[4]主要是由發(fā)射端將一束聚焦、恒定光強(qiáng)的平行光垂直入射流通池的光學(xué)窗體，光穿透介質(zhì)被介質(zhì)內(nèi)的微量懸浮顆粒、不相溶液體或氣泡散射，散射光與透射光被接收端的硅光電二極管檢測(cè)到并傳回控制器，通過(guò)計(jì)算初始光強(qiáng)I0與散射、透射之后的衰減光強(qiáng)I1、I2的比值，來(lái)確定被測(cè)量介質(zhì)的濃度。其中，散射光接收器與透射光接收器成11°角，而散射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)的比值與介質(zhì)內(nèi)的顆粒含量成正比關(guān)系[5]。

本次選用近紅外散射原理，無(wú)論是可溶性介質(zhì)或是非可溶性介質(zhì)都能通過(guò)測(cè)量光穿過(guò)分子之后的初始光強(qiáng)I0的能量衰減程度來(lái)計(jì)算被光穿透的介質(zhì)濃度。該原理能夠準(zhǔn)確、快速地實(shí)時(shí)測(cè)量包括汽油、柴油、航空煤油、常壓油、輕石腦油和蠟油在內(nèi)的全油，可以適用于煉油廠工藝中污水處理、冷換設(shè)備泄漏等大部分水中油測(cè)量場(chǎng)景。

1.2 在線水中油分析儀優(yōu)缺點(diǎn)

近年來(lái)，永坪煉油廠4套循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)較差，其水中油含量一般在0ppm～30ppm，而測(cè)量換熱器泄漏的水中油含量量程一般在0ppm～100ppm。采用近紅外散射測(cè)量原理的水中油分析儀，在中等乃至極低濁度下皆有優(yōu)秀的靈敏度，在四循這種測(cè)量環(huán)境中十分適用。

采用近紅外散射測(cè)量原理的水中油分析儀散射接收端與發(fā)射接收端的夾角為11°，可以很好地排除雜光干擾，測(cè)量結(jié)果十分穩(wěn)定。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)顏色發(fā)生變化，或窗體被輕度污染時(shí)仍然能得到可靠數(shù)據(jù)。而且由于測(cè)量結(jié)果是根據(jù)散射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)的比值來(lái)計(jì)算，所以零點(diǎn)固化，只需要在出廠時(shí)標(biāo)定即可，無(wú)需定期標(biāo)定。

分析儀流通池的光學(xué)窗體采用單晶藍(lán)寶石，有超強(qiáng)耐磨損、耐腐蝕能力，當(dāng)流通池內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)速度在1.2m/s以上時(shí)，完全可以達(dá)到自清潔的功能。在滿(mǎn)足無(wú)需取樣就能實(shí)時(shí)測(cè)量的同時(shí)，基本不需要維護(hù)。在流通池前后壓差降低、裝置停工時(shí)，需要注意定期用水沖洗，否則光學(xué)表面會(huì)積聚沾污沉積物，可能會(huì)出現(xiàn)窗體結(jié)垢、油膜聚結(jié)的情況。

2 安裝

2.1 測(cè)量點(diǎn)位

由于油不能與水混合，為了保持被測(cè)介質(zhì)的均勻性，需要在主線引出相對(duì)較小的旁路，以便在流通池內(nèi)形成紊流。這樣當(dāng)光源透過(guò)窗體穿透介質(zhì)時(shí)，能夠測(cè)量相對(duì)真實(shí)的介質(zhì)狀態(tài)。

理想的測(cè)量點(diǎn)位安裝應(yīng)在換熱器E-124循環(huán)水出口閥門(mén)前取一條支線作為流通池進(jìn)口，在循環(huán)水出口閥門(mén)后取一點(diǎn)作為流通池的出口和回流點(diǎn)。這樣利用出口閘閥的前后壓差，可在流通池支線上形成較大的流體壓差，保證介質(zhì)充滿(mǎn)流通池且流動(dòng)狀態(tài)良好。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝

該水中油分析儀的現(xiàn)場(chǎng)安裝包括變送器、傳感器和流通池3個(gè)部分。

1）傳感器

傳感器需要通過(guò)螺紋連接擰在流通池的預(yù)留接口上，以完成實(shí)時(shí)測(cè)量。在安裝傳感器前要檢查傳感器主體上的窗體表面是否干凈，如果不干凈要用異丙酮擦洗。安裝時(shí)要特別注意傳感器窗體的螺紋接口，確保窗體壓環(huán)里的Viton材質(zhì)O型墊圈安裝到位，否則即使接口輕微泄漏也會(huì)使窗體產(chǎn)生冷凝水，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2）流通池

聯(lián)合二車(chē)間常壓裝置換熱器E-124是常重底油與循環(huán)水換熱，換熱后的循環(huán)水直接并入管網(wǎng)。在冷換過(guò)程中，循環(huán)水出口管線閘閥前后可形成壓差，是理想的流通池進(jìn)出口位置。

E-124的循環(huán)水出水管線自上而下進(jìn)入地面，在出水管線上水平段取一點(diǎn)作為流通池入口，在出水管線豎直段閘閥后取一點(diǎn)作為流通池出口，利用頂部出水速度相對(duì)較慢和水自身的重力，將循環(huán)水引入流通池，然后利用進(jìn)出口壓差和水的重力勢(shì)能使水從出口匯入主管，保證了流通池內(nèi)介質(zhì)良好的通過(guò)性。

該分析儀的流通池接口為DN50 PN16，316L材質(zhì)配對(duì)法蘭，在DN200的循環(huán)水出水管道引出一條DN050的支線，按照?qǐng)D2中的安裝方式將流通池安裝在支線上。在流通池的進(jìn)出口分別安裝DN50的法蘭閘閥，以便儀表發(fā)生故障時(shí)，維保人員可以將分析儀切出檢查。

3）變送器

分析儀的變送器集成在防爆箱中，根據(jù)探頭線纜的長(zhǎng)度就近安裝在換熱器E-124的東側(cè)，方便觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在為變送器接線時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免傳感器與變送器之間的4mA～20mA信號(hào)傳輸線放入有220V或380V電力電纜的穿線管中，防止傳輸?shù)碾娏餍盘?hào)被干擾。

圖3 流通池與傳感器的安裝現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Installation site of flow cell and sensor

3 調(diào)試

在接上變送器電源之后，需要給分析儀15min～20min的時(shí)間來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)熱，才能設(shè)置零點(diǎn)和量程。本次選用的分析儀的量程為0ppm～100ppm，DCS系統(tǒng)中的位號(hào)為AI-11212。

3.1 報(bào)警上限

2022年6月，對(duì)常重底油換熱器E-124的水中油分析儀AI-11212進(jìn)行了為期1個(gè)月試運(yùn)行測(cè)試。在試運(yùn)行過(guò)程中，AI-11212的測(cè)量數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定了正常工況下四循水中油含量的平均值和泄漏時(shí)的報(bào)警值。

表1是2022年6月水中油分析儀AI-11212的試運(yùn)行日平均值記錄表。

表1 AI-11212試運(yùn)行日平均值記錄表Table 1 Record of daily average values of AI-11212 trial operation

根據(jù)試運(yùn)行結(jié)果可以看出，AI-11212的每日平均值在3.1ppm～6.4ppm之間波動(dòng)，這表明四循的循環(huán)水油含量是基本穩(wěn)定的。在試運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)楸姸鄵Q熱設(shè)備同時(shí)換熱及循環(huán)水系統(tǒng)加藥、檢修的影響，循環(huán)水水質(zhì)有時(shí)會(huì)達(dá)到27.6ppm，這時(shí)換熱器并沒(méi)有發(fā)生泄漏，因此要為分析儀的報(bào)警信號(hào)設(shè)置一個(gè)延遲以免它對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)發(fā)出誤報(bào)。

表3 2023年1月20日4時(shí)四套循環(huán)水中油Table 3 Oil in four sets of circulating water on January 20, 2023 at 4:00 am

將永坪煉油廠四循正常循環(huán)水含油量定在3ppm～30ppm之間，結(jié)合水質(zhì)波動(dòng)等因素，將該分析儀變送器端的報(bào)警上限設(shè)置為50ppm。當(dāng)AI-11212測(cè)量值＞50ppm時(shí)，監(jiān)盤(pán)人員在中央控制室會(huì)接到變送器端發(fā)送的報(bào)警信息。最后，鑒于試運(yùn)行過(guò)程中AI-11212瞬時(shí)測(cè)量值遠(yuǎn)超平均值的情況，在該水中油分析儀的變送器端為這個(gè)報(bào)警值設(shè)置了一個(gè)20s的延時(shí)。當(dāng)“AI-11212測(cè)量值＞50ppm”這個(gè)條件持續(xù)20s以上，中央控制室才會(huì)收到報(bào)警信號(hào)。

3.2 運(yùn)行記錄

在分析儀正式投入運(yùn)行后，能夠?qū)Q熱器E-124的水質(zhì)進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)控，以此判斷換熱器是否發(fā)生泄漏。表2是水中油分析儀AI-11212正式運(yùn)行后，2022年9月日平均值記錄表。

表2 2022年9月AI-11212運(yùn)行日平均值記錄表Table 2 Record of daily average operating values of AI-11212 in september 2022

從記錄的AI-11212日平均值來(lái)看，該換熱器的循環(huán)水含油量在正常范圍，且沒(méi)有較大波動(dòng)。以此可以判定，該換熱系統(tǒng)的循環(huán)水水中油處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，換熱器沒(méi)有發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

3.3 泄漏警報(bào)

2023年1月19日22時(shí)56分，中控室監(jiān)測(cè)到報(bào)警信息，水中油分析儀AI-11212測(cè)量值達(dá)到94.1ppm，觸發(fā)了泄漏報(bào)警。當(dāng)班人員立即前往現(xiàn)場(chǎng)查看，對(duì)常壓裝置循環(huán)水換熱系統(tǒng)進(jìn)行了逐一排查，并對(duì)各換熱器現(xiàn)場(chǎng)取樣，將實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。

該常壓裝置循環(huán)水換熱系統(tǒng)的循環(huán)水流程為：E-121→E-122→E-128A→E-123→E-124→四循管網(wǎng)，結(jié)合取樣結(jié)果分析，E-123常二線冷卻器泄漏的可能性較大。通過(guò)對(duì)E-123常二線冷卻器和E-124常底油冷卻器系統(tǒng)排查，發(fā)現(xiàn)E-123常二線冷卻器存在微量泄漏，將該換熱器納入特護(hù)管理，制定相應(yīng)處理方案。

4 結(jié)語(yǔ)

水中油分析儀AI-11212，在對(duì)常壓裝置E-124換熱器循環(huán)水中油含量的測(cè)量過(guò)程中運(yùn)行良好。它能對(duì)換熱之后的循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行持續(xù)而快捷地監(jiān)測(cè)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷換熱器是否泄漏，在發(fā)生泄漏的初期發(fā)出警報(bào)。常壓裝置E-124換熱器是四套循環(huán)水系統(tǒng)與該套常壓裝置換熱的最后一站，循環(huán)水自該換熱器的循環(huán)水出口去往四套循環(huán)水管網(wǎng)，一旦發(fā)生泄漏，生產(chǎn)裝置操作人員能把好E-124換熱器循環(huán)水出口這最后一關(guān)，就可以避免油污對(duì)下游污水處理裝置造成沖擊，同時(shí)對(duì)整個(gè)常壓裝置的換熱器進(jìn)行逐一排查漏點(diǎn)，以達(dá)到在泄漏初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處置的最終目的。

利用分析儀監(jiān)測(cè)換熱器泄漏，是永坪煉油廠一次冷換設(shè)備管理全新的嘗試。通過(guò)測(cè)量結(jié)果時(shí)刻掌握換熱器的運(yùn)行狀態(tài)，切實(shí)提高換熱器等設(shè)備的可靠性，給打破設(shè)備隱患發(fā)現(xiàn)難、處理不及時(shí)的管理瓶頸提供了一種可能。這為冷換設(shè)備管理提供了新的現(xiàn)代化管理手段，可以根據(jù)數(shù)字化的信息積累總結(jié)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，進(jìn)而制定合理的設(shè)備運(yùn)行周期，對(duì)新技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備管理全過(guò)程具有指導(dǎo)意義。